Способ получения фторированного углерода

 

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении смазочных материалов, лакокрасочных покрытий, катодных материалов в химических источниках тока. В реактор загружают углеродный материал, например сажу или термообогащенный графит. Фторирование проводят при 320 - 500^oC смесью азота и технического фтора с содержанием фтора 12 об.%. Процесс фторирования прерывают при соотношении концентраций фтора в газах на выходе и входе 0,5 - 0,6 путем прекращения подачи инертного газа. Термодеструкцию фторуглерода фиксируют по повышению температуры в реакторе. Прекращают подачу фтора. После охлаждения реактора до температуры начала фторирования возобновляют подачу смеси инертного газа и фтора. Процесс ведут до выравнивания концентраций фтора на входе и выходе из реактора. Получают фторированный углерод с насыпной плотностью 0,01 - 0,02 г/см³ и содержанием фтора 17 - 59 мас.%. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к технологии получения тонкодисперсного порошка фторированного углерода, используемого в качестве смазки, загустителя смазочных композиций, водо- и маслонепроницаемого агента, как составная часть защитного лакокрасочного покрытия, в качестве катодного материала литиевых химических источников тока.

Известен способ получения тонкодисперсных частиц фторированного углерода путем обработки ацетиленовой сажи газом, содержащим фтор, при повышенной температуре (патент Франции, заявка N 2611362, публ. 02.09.88; патент ФРГ, заявка N 053805483, публ. 08.09.88; Франция, патент 2611362, 1987 г.).

Способы обеспечивают получение тонкодисперсного порошка фторированного углерода с низкой насыпной плотностью 0.1 г/см³ и ниже. Недостатком этих способов является использование дефицитного сырья - ацетиленовой сажи, низкая производительность, обусловленная высокой химической активностью сажи.

Известен способ получения фторированного графита путем фторирования при температуре 300 - 500^oC подвергнутого набуханию графита (патент Японии, заявка N 61-31049В, 1982 г.). Данный способ позволяет получить тонкодисперсный фторированный углерод, с низкой насыпной плотностью (ниже 0.1 г/см³). Недостатком его является необходимость предварительной обработки исходного углеродного материала (щелочными металлами, кислотами, кислыми солями), ограниченность типа сырья (графит), низкая производительность, обусловленная высокой химической активностью подвергнутого набуханию графита.

Известен также способ получения фторированного углерода обработкой углеродного материала любого типа смесью технического фтора и инертного газа при температуре 320-500^oC с контролем процесса фторирования по содержанию фтора в газах на входе и выходе из реакционной зоны (патент РФ N 2119448, 1998 г. ). Этот способ близок к предлагаемому изобретению. Он позволяет получать фторуглеродный материал с содержанием фтора от 17 до 66 мас.% с насыпной плотностью 0.4-0.7 г/см³.

Недостатком способа является необходимость дополнительных операций перед использованием фторированного углерода в качестве смазки или в смазочных композициях. Материал приходится диспергировать и отсеивать тонкие фракции с размером частиц порядка 0,1 мкм, обладающие высокими трибологическими характеристиками (Фиалков А.С. "Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе", Аспект пресс, М., 1997 г.).

Настоящее изобретение решает задачу повышения производительности и экономичности, расширения ассортимента исходного углеродного сырья при получении сверхтонкого порошка фторированного углерода с низкой насыпной плотностью (0.01 - 0.02 г/см³).

Поставленная цель достигается тем, что при получении фторированного углерода путем обработки углеродного материала смесью технического фтора с инертным газом при температуре 320- 500^oC и при контроле содержания фтора в газах на входе и выходе из реакционной зоны, обработку углеродного материала фторирующей смесью прекращают при соотношении концентраций фтора в газах на выходе и входе в реакционную зону равном 0.5-0.6, после чего осуществляют термическое разложение образующегося фторированного углерода, а полученный в результате терморазложения продукт обрабатывают смесью технического фтора с инертным газом до выравнивания концентраций фтора в газах на входе и выходе из реакционной зоны. Термическое разложение можно осуществить различными методами: повышением температуры в зоне реакции, подачей концентрированного фтора или воздуха в зону реакции. В указанных условиях опасной для персонала и для оборудования обвальной термодеструкции с выделением большого количества газообразных фторуглеродов не происходит. Вся энергия, выделяющаяся при терморазложении фторированного углерода, тратится в основном на "разбухание" углеродного материала (объем его увеличивается примерно в 10-20 раз). Такой продукт (с содержанием фтора 11-18 мас.% ) сам по себе пригоден для использования в качестве смазки или в смазочных композициях. Дальнейшая обработка фтором улучшает его трибологические характеристики, в частности повышает термостойкость. Получается пухлый фторуглеродный продукт с насыпной плотностью 0.01-0.02 г/см³, с содержанием фтора 17-65 мас.% в зависимости от заданного времени фторирования.

Термическое разложение осуществляют в момент времени, отвечающий соотношению концентраций фтора в газах на выходе и входе в реакционную зону равному 0.5-0.6. При меньшем соотношении продуктом терморазложения является исходный углерод без признаков "разбухания". При большем соотношении возникает опасность неуправляемого терморазложения с образованием большого количества летучих фторидов углерода, резко снижается выход твердого фторированного углерода.

Ниже представлены результаты испытаний способа, выполненных на тарельчатом никелевом фтораторе вместимостью 100 л.

Пример 1 В реактор загружено 2 кг технического углерода - сажи Т-900. Фторирование осуществляли при температуре 350^oC смесью азота и технического фтора с содержанием фтора в смеси 12 об.%. В момент, когда соотношение концентраций фтора в газах на выходе и входе в реактор достигло 0.5, прекратили подачу инертного газа (азота), в реактор подавали неразбавленный технический фтор (содержание фтора 93 об.%, HF - 3-5 об.%). Через 5 мин произошло разложение фторуглерода, что зафиксировано повышением температуры в реакторе с 350 до 420^oC. Подачу фтора прекратили и далее, после снижения температуры до 350 ^oC, возобновили подачу смеси азота и фтора до выравнивания концентраций фтора на входе и выходе из реактора.

Выгружено 2 кг фторированного углерода с содержанием фтора 48.2 мас.%, насыпной плотностью 0.02 г/см³.

Пример 2 В реактор загружено 2 кг термообогащенного графита. Фторирование осуществляли смесью фтора с инертным газом (содержание фтора 20 об.%) при температуре 500^oC. При соотношении концентраций фтора на выходе и входе в реактор равном 0.6 перекрыли подачу инертного газа, в реактор подали неразбавленный технический фтор. Через 3 мин. произошло терморазложение (температура в реакторе выросла до 580^oC). Подачу фтора прекратили. Из реактора выгрузили "пухлый" порошок с содержанием фтора 17 мас.%, насыпной плотностью 0.01 г/см³, масса порошка 1950 г.

Пример 3 В реактор загружено 2 кг термообогащенного графита. Фторирование осуществляли смесью фтора с инертным газом (содержание фтора в смеси 20 об.%) при температуре 480^oC. При соотношении концентраций фтора на выходе и входе в реактор равном 0.6 прекратили подачу инертного газа. В реактор подали неразбавленный технический фтор. Через 4 мин произошло терморазложение (скачок температуры до 600^oC). Подачу фтора прекратили и после снижения температуры до 480^oC возобновили подачу смеси инертного газа и фтора до выравнивания концентраций фтора на выходе и входе в реактор.

Выгружено 1800 г фторированного углерода с содержанием фтора 59 мас.%, насыпной плотностью 0.01 г/см³.

Формула изобретения

1. Способ получения фторированного углерода путем обработки углеродного материала смесью инертного газа и технического фтора при температуре 320 - 500^oC с контролем процесса фторирования по содержанию фтора в газах на входе и выходе из реакционной зоны, отличающийся тем, что процесс фторирования прерывают при соотношении концентраций фтора в газах на выходе и входе в реакционную зону, равном 0,5-0,6, после чего осуществляют термодеструкцию полученного фторуглеродного материала и продолжают фторирование термодеструктивного материала до выравнивания концентраций фтора в газах на входе и выходе из реакционной зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термодеструкцию фторированного углеродного материала осуществляют путем подачи в зону реакции неразбавленного технического фтора или воздуха до момента, отвечающего резкому возрастанию температуры в зоне реакции.